Изображающие приборы с одинаковым увеличением и светосилой могут давать изображения различного качества в смысле передачи тонкой структуры предмета (более или менее резкие, с большим или меньшим количеством мелких деталей). Способность прибора предавать тонкую структуру предмета относится к числу важнейших свойств изображающего прибора.
Функция рассеяния точки
Функция рассеяния точки (ФРТ) описывает распределение интенсивности в изображении светящейся точки. Изображение светящейся точки называют пятном рассеяния.
Поскольку предмет можно представить как совокупность светящихся точек, все изображение можно представить как совокупность ФРТ.
Картина ФРТ для идеальной оптической системы (рис. 3.4) симметрична относительно оптической оси и состоит из центрального максимума (диска Эри) диаметром 1.22 и вторичных максимумов в виде колец.
Разрешающая способность по Рэлею
Разрешающая способность оптической системы - это способность изображать раздельно два близко расположенных точечных предмета.
Иногда вместо понятия «разрешающая способность» используют понятие предела разрешения, то есть минимального расстояния, при котором два близко расположенных точечных предмета будут изображаться как раздельные.
Критерий Релея заключается в том, что при провале в распределении интенсивности изображения двух близких точек в 20% эти точки будут восприниматься как раздельные. Для этого необходимо, чтобы центральный максимум в изображении одной точки приходился бы на первый минимум в изображении другой (рис. 3.4).
Разрешение по Рэлею характеризует качество изображения астрономических телескопов, спектральных приборов и других оптических систем, для которых предметами являются точки или линии.
Разрешающая способность по Фуко
Критерий Фуко применяется для оценки качества изображения в оптических системах, передающих объекты сложной структуры (например, в фотообъективах). Для определения разрешающей способности по Фуко используется тест-объект (мира Фуко), который состоит из черно-белых штрихов разной толщины (рис. 3.5). Поскольку разрешающая способность оптической системы может зависеть от направления штрихов, в мире Фуко линии располагаются по четырем разным направлениям.
Разрешающая способность определяется как максимальная пространственная частота периодического тест-объекта, в изображении которого еще различимы штрихи.
Для удаленного изображения пространственная частота измеряется в количестве линий на единицу угла (лин/рад), а для близкого изображения – в количестве линий на единицу длины (лин/мм).
Разрешающую способность обычно определяют по графику частотно-контрастной характеристики оптической системы (рис. 3.6), которая показывает зависимость контраста изображения периодического тест-объекта от его пространственной частоты.
Контраст для периодических изображений определяется разницей между максимальной и минимальной интенсивностью. Чем больше контраст, тем лучше различаются мелкие детали изображения. При единичном (абсолютном) контрасте изображение резкое, черно-белое. При нулевом контрасте штрихов на изображении не различить, все изображение однородного серого цвета.
Изображение нельзя зарегистрировать или увидеть в том случае, когда контраст на изображении меньше порогового контраста, который зависит от приемника изображения. Поэтому разрешающая способность определяется для заданного контраста (обычно для контраста 0.2). В требованиях к качеству оптической системы обычно указывают предельную частоту для определенного контраста, например, частота 55 лин/мм при контрасте 0.2 (рис. 3.6).
Предельная разрешающая способность для оптических систем определяется апертурами, длиной волны и аберрациями.
Аберрации
Аберрация (лат. - отклонение) - это отклонение хода реального луча от идеального. Аберрации приводят к ухудшению качества изображения.
Существует два фактора, которые влияют на структуру и качество изображения в оптической системе: дифракция и аберрации. Эти факторы действуют совместно. Если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются дифракционно-ограниченными. В дифракционно-ограниченных системах качество изображения пропорционально отношению апертуры к длине волны. При полном отсутствии аберраций ФРТ имеет вид, показанный на рис. 3.4.
Если аберрации велики, и дифракция теряется на фоне аберраций, то такие системы называются геометрически-ограниченными. В геометрически-ограниченных системах формирование изображения вполне корректно описывается с позиций геометрической оптики, без привлечения теории дифракции. В таких системах поперечные аберрации по размерам значительно превосходят диск Эри, а ФРТ ни по размерам, ни по форме не похожа на дифракционную.
Волновая аберрация - это отклонение выходящего волнового фронта от идеального, измеренное вдоль данного луча в количестве длин волн
(рис. 3.7):
Существуют и другие виды аберраций, связанных с волновой -поперечные и продольные.
Поперечные аберрации , - это отклонения координат точки пересечения реального луча с плоскостью изображения от координат точки идеального изображения (рис. 3.8). Для изображения ближнего типа они выражаются в миллиметрах, для дальнего - в радианах.
Продольная аберрация - это отклонение координаты точки пересечения реального луча с осью от координаты точки идеального изображения вдоль оси (рис. 3.8). Для изображения ближнего типа продольная аберрация выражается в миллиметрах, для дальнего - в обратных миллиметрах.
Волновая, поперечные и продольная аберрации - это разные формы представления одного явления. При оценке качества изображения за исходную модель аберрационных свойств оптической системы берут волновую аберрацию, то есть о качестве оптической системы судят по величине волновой аберрации. Однако, если аберрации велики, то более целесообразно использовать для оценки качества изображения поперечные аберрации.
Аберрации делятся также на монохроматические и хроматические. Монохроматические аберрации имеются, даже если оптическая система работает при монохроматическом излучении. Хроматические аберрации - это проявление зависимости характеристик оптической системы от длины волны света, они появляются из-за того, что показатели преломления оптических стекол зависят от длины волны. Хроматические аберрации приводят к тому, что в изображениях неокрашенных предметов появляется окрашенность. Хроматизм положения - это аберрация, при которой изображения одной точки предмета расположены на разном расстоянии от оптической системы для разных длин волн. Хроматизм увеличения - это аберрация, при которой увеличение оптической системы зависит от длины волны. Вследствие этого вместо изображения точки образуется цветная полоска.